moldflow6.1中文教程第13章光学双折射案例分析5004.pdf

第13 章 光学双折射案例分析 双折射是塑料光学元件面临的主要成型问题。双折射会使透过光学元件的光线产生相位差，在成像时出现双重影像，对成像效果造成不良影响，且很难通过像差矫正来完全消除。双折射主要由塑料制品内部光学各向异性所致。填充过程中塑胶分子定向及由此产生的热应力是注塑成型的塑胶光学元件产生双折射的主要原因。现在我们可以运用翘曲模块中“网格双折射分析”功能来分析成型过程对塑料光学元件品质的影响，预测在当前制品造型、成型工艺下塑胶下光学元件成型后，从不同的光学指标判断制品是否存在光学缺陷，并可根据当前存在的问题，做出及时的改善与调整，从而达到在模具设计段消除制品成型缺陷、快速投入量产的目的。为了使读者更好地应用双折射分析功能，我们先来讲述双折射原理。13.1 光学双折射原理 光波是一种横波。光波矢量的振动方向垂直于光的传播方向，光振动的方向特性即光的偏振性。根据光矢量对传播方向的不对称情形，光可分为自然光、和偏振光。13.1.1 自然光和偏振光 普遍光源如太阳、白炽灯、钠灯等发光时，各光波列振动方向、频率和位相不尽相同，光矢量在垂直于光传播方向的平面上取各方向的几率相等，自然光可分解为两个任意互相垂直方向、振幅相等、没有任何相位关系的偏振光，即光矢量具有轴对称性、均匀分布、各方向振动的振幅相同的特性。如果光矢量的振动相对于传播方向失去对称特性的光统称为偏振光。13.1.2 晶体双折射现象 图寻常光和非常光 当自然光沿任意方向入射到晶体表面上，将在透明材料内沿两个不同方向产生两束折射光，这就是双折射现象。这是由于晶体的各向异性造成的。双折射时产生的两束折射光是振动面相互垂直，质量很高的偏振光。实验证明，其中一束偏振光遵循折射定律，称为寻常光或光，另一束不遵循折射定律称为非常光或光。这两束光的传播速度有快慢的差异，经过在传播路径上的累计后，会产生光波相位上的落差，称为光的相位差。它们在透明介质中经过的路径越长，射出后两束光线分得愈开。在晶体材料中，还存在某些特殊方向，当自然光沿该方向入射时，光、光将沿相同方向以相同速度传播，这时就不会出现双折射现象。这个方向称为晶体的光轴。13.2 热塑性材料应力双折射现象 一些晶体物质在没有应力的情况下也会产生双折射现象。但绝大多数塑胶材料属于非结晶性（非结晶性塑料并不是绝对不存在结晶现象，只是结晶率非常低），晶体双折射现象在非结晶性塑胶材料制品光学缺陷中占的几率很小，而制品内部的残余应力会使制品产生一定程度的各向异性，是引起制品出现双折射的主要诱发原因。在以下小节中我们将重点讲述热塑性塑胶材料应力双折射现象。利用偏振光观察应力比较大的透明塑胶制品时，由于寻常光和非常光存在相位差，在传播的过程中出现光波的叠加和抵消，使光线在亮度上相互消长，产生明暗相间的干涉条纹。条纹级数与材料内部的主轴应力差值成正比，代表着材料受力的状况。对于多数透明材料制品，光的折射率与光的传播方向和光的偏振无关，但是制品内部的应力会改变穿过的光线的折射率。如果制品内部各个方向上应力分布不均，那么经过此处的光的折射率就取决于入射光线偏振的程度。双折射对制品光学性能的影响跟制品内部主轴应力方向、光线的入射角度和偏振程度有关。光在穿过制品时，即使光是垂直射入制品表面，如果光的传播方向与制品内部主轴应力不平行，在折射光线中就会出现正常折射光（光）和非常折射光（光）。这两种光线的速度有快慢上的差异，经过传播路径上的累计，射出后两束光线会出现偏离，产生双重影像，影响塑料光学元件的成像品质。13.3 热塑性材料应力双折射流程 在这一小节中我们将讲述完整的热塑性塑胶材料应力双折射分析流程。13.3.1 导入制品模型 图“模型输入”对话框单击“导入模型”指令，选择副本文件，点击“确定”按钮，弹出“输入”对话框，如图所示。选择网格类型为“”。请注意，应力双折射分析需要精确计算制品不同部位的应力对双折射光线的影响，在中，只有网格支持应力双折射分析选择模型单位为“毫米”。点击“确定”按钮，弹出“创建工程”对话框，如图所示。在“工程名称”文本框输入工程名称，在“创建位置”文本框选择文件保存路径。图“创建工程”对话框点击“确定”按钮，透镜被成功导入中，如图所示。图透镜模型 13.3.2 设置成型工艺和分析类型 点击“分析”，在“选择成型工艺”中，选择“热塑性注塑成型”。为了得到确切的双折射分析结果，我们选择在“设置分析顺序”中选择完整的过程，选择的分析序列为“冷却 流动 翘曲”。13.3.3 选择成型材料 案例中透镜的成型材料为。具有优良的光学特性及耐气侯变化特性，白光的穿透性高达，经常用作各种普通镜片或光学元件的制造。本次我们采用材料数据库中光学属性数据已得到准确验证、牌号为的，它的制造商为。图是的光学属性对话框。图光学属性对话框对话框中的重要数据包括未取向材料的折射率、应力 光学系数和在参考温度下粘弹性光学延迟谱。目前中只有六种透明塑胶材料包含经过精确检测得到的光学属性数据。用户如需对这六种以外的透明塑胶材料进行双折射分析，必须输入必要的光学属性数据，包括未取向材料的折射率、应力 光学系数和在参考温度下 粘弹性光学延迟谱，而且这些数据必须经过严格、精确的检测，才能真实地预测透明元件是否存在光学缺陷。13.3.4 划分3D 网格 网格一般数目很大，在网格案例中进行建模操作速度相比表面网格和中面网格较慢。模型导入后，建议首先查看模型的定向。如果模型定向和开模方向有误，应在划分网格之前将模型按正确开模方向定向。点击“生成网格”按钮，首先弹出图的对话框，提示用户这一步操作将先生成初始表面网格。在模型表面生成表面网格后，用户需要仔细检查表面网格是否存在缺陷。如果表面网格存在缺陷，参照一般修补表面问题网格的方法进行修补。在初始表面网格完好的情况下再次进行网格划分，才能生成高质量的网格。图网格生成信息提示栏点击“确定“按钮，弹出“生成网格”对话框，如图所示。我们可以看到，在生成网格前，这一步生成初始表面网格相对于生成最终表面网格的控制方式少了匹配率的优化等控制途径。图生成初始表面网格 初始表面网格的边长值决定网格的边长值，所以不宜将初始表面网格的边长值设定得太大，这样生成的表面网格面积比较小，在模型厚度上划分多层网格后不会使内层网格过于扁平，接近表层的内层网格顶点不会有凸出模型表面的趋势。初始表面网格生成后，查看网格质量。点击“网格统计”按钮，弹出“网格统计”对话框，如图所示。图初始网格信息统计栏在网格信息统计栏没有网格匹配率的统计数据，只有其它必要的网格信息。从图我们可以看出，初始表面网格除了有纵横比大于允许值外，并无其它网格缺陷。对于初始网格存在的所有问题，只需要参照修补最终表面网格的步骤逐一进行诊断和修补即可。网格对网格纵横比的要求相对表面网格和中面网格更为严格。建议在初始表面网格段将所有网格的纵横比控制在以下，获得纵横比较小的网格。将问题网格修补完毕后，再一次点击“生成网格”按钮，生成最终的网格。在“生成网格”对话框中，点击“四面体细化”按钮，设置网格的划分控制方式，如图所示。在“厚度方向的最大单元数”文本框输入网格的最大控制层数。为了充分捕获双折射的细微变化过程，建议网格的层数至少控制在层或更多，以此保证分析结果的精确度。根据以往多次网格划分的经验，模型上网格的层数与网格的纵横比必须对应。当分析的类型需要较多 网格层数时，必须将初始表面网格的边长值控制到足够小，才能获得高质量的网格。图“网格生成”对话框点击“立即划分网格”指令，生成最终的网格，如图所示。图为模型局部厚度上剖视图。图网格模型 图模型局部厚度方向剖视图13.3.5 创建浇注系统 本案例中制品采用边浇口、两穴成型。模型及浇注系统如图所示。为了最大限度地减少制品的内应力，我们采用型流道，使熔融塑胶在进入型腔前形成平稳的料流。图浇注系统点击“连通性诊断”按钮，点击模型上任意实体，查看两穴制品的连通性。如果两穴制品与浇注系统均以蓝色显示，证明制品与浇注系统处于正常的连通状态；如果有实体以红色显示，表示蓝色实体与红色实体在分界未连通，应通过“合并节点”或其它方式进行修补。13.3.6 创建冷却系统 为了使两穴制品得到均衡的冷却，以使制品不同部位冷却收缩速率趋于一致，两个模穴的水路排布方式是完全一致的，如图正视图和图侧 视图所示。冷却介质为纯水，入水口水温为。图水路排布正视图图水路排布侧视图点击“冷却回路诊断”按钮，查看水路是否正确设置。如果水路均处于正确的设置状态，就不会在主窗口显示诊断图标；如果存在未正确设置的水路，就会在主窗口右侧出现诊断图标，有问题的水路以红色高亮显示。经常出现的问题水路包括未设置入水口、重叠水路、同一回路存在未连通部分等。13.3.7 成型参数设置 以下是成型参数详细设置过程。第一页为冷却分析参数设置页面，如图所示。为了在前期得到一个合理的成型周期，“注射 保压 冷却时间”采用“自动”控制方式。图冷却参数设置页面第二页为流动分析参数设置页面，如图所示。“充填控制”方式为注射时间。“速度 压力切换”采用“自动”控制。图流动参数设置页面“保压控制”方式为“充填压力与时间”，分两段保压。第一段保压压力为最高充填压力的，作用时间为秒；第二段保压压力为最高充填压力的，作用时间为秒，如图所示。图保压控制曲线图 第三页为翘曲分析参数控制页面，如图所示。勾选“使用网格聚合和第二顺序四面体单元”，优化分析时间。“并行的线程数”选用系统默认的“单一线程”。如果选择单 一线程，并行线程方案将不会被采用。用户可以指定线程 数也可以选择最大线程数。如果用户选择 最大线程数，在分析计算时将利用所有并行的处理器，会大大提高数据交换速率，缩短分析时间。采用并行线程，矩阵求解器一定要处于勾选状态；采用单一线程时矩阵求解器不会被应用。图翘曲分析控制设置页面13.3.8 双折射分析结果 在网格分析中，浇口尺寸采用浇口内有效流动面积，所以在结果显示中，浇口形状一般不是当初手动创建的截面形状，而已经被换算成截面形状为圆的圆柱或圆锥形浇口。13.3.8.1 流动分析结果 图为注塑阶段在不同的时刻，熔融塑胶在模具型腔内的填充情况。点击动画按钮，观察塑胶在型腔内的流动情况。可以看到，运用网格展现的是熔融塑胶在型腔内的真实流动行为。本案例中，熔融塑胶以呈略显凸状的流动前沿逐渐向远离浇口的型腔部位流动。图充填时间图为塑胶流动前沿处的温度。从结果查询数据可以看到，塑胶在进料口处的温度接近于流动参数页面中熔体的温度。在流经浇注系统的过程中，在摩擦和剪切的作用下熔体温度有小幅上升，进入型腔时温度由升至；流经浇口后，塑胶温度上升至；塑胶在浇口附近区域温度最高，达到；在流经型腔中部区域到流动路径末端，塑胶温度有小幅下降，但未低于。在整个填充过程中，塑胶 温度为超过它的绝对熔体温度。图流动前沿处的温度制品温度是在成型过程中制品不同部位的温度变化。重点查看最高塑胶温度是否超过该塑胶最高绝对熔体温度，如果超过的话塑胶在注射过程中很可能因局部过热而发生降解。本案例塑胶在填充过程中的最高熔体温度为，超过初始设置的熔体温度，但未超过极限熔体温度。点击“剖且平面”按钮，选择向剖且平面。点击“使激活”指令，弹出“移动剖且平面对话框”，可以选择“按距离”或“到某个点”的控制方式移动剖且平面。图和显示的是剖且平面在两穴制品面中心位置时的剖且视图。图是在时，制品与模壁接触的表层已完全凝固，温度接近当时的模壁温度；料流一旦停止流动，肉厚最薄的浇口温度下降最快；制品的造型决定了制品从边缘到中心，肉厚逐渐增加，在中心部位肉厚最后，所以制品芯层温度最高，达。图是在时，流道、浇口、制品表层和新层的温度变化。浇口处温度下降幅度最大，已经处于凝固状态；制品凝固层的厚度逐渐加厚，但芯层温度依然很高，需要较长的冷却时间才能使制品中心层温度降至转换温度以下。图制品温度变化图制品温度变化 13.3.8.2 翘曲分析结果 图是制品的整体翘曲变形量和在个轴向的单独翘曲变形量。由于制品为肉厚变化均匀过度的圆形，整体收缩趋于一致，因此并无翘曲现象，变形量基本上是体积收缩的结果。图制品翘曲变形图为制品翘曲之后折射率相对于材料数据库中未翘曲前折射率的变化。一般用途的透明制品折射率变化量在以内就可以接受，光学元件折要求的射率变化量更小，具体标准依实际要求而定。案例中采用的塑料在未翘曲前的折射率为，经过注塑成型后，制品内因为残余应力的存在，使制品实际的折射率相对于塑胶原料的折射率发生了变化，变化量为。图显示的是制品表层折射率的变化和在不同厚度剖且平面折射率的变化。图制品翘曲之后折射率的变化图为来自正负向的光的相位移。制品内部的残余应力使制品呈现出各向异性的特征。穿过制品的光线，平行与光的传播方向的偏振光波与垂直于光的传播方向的偏振光波在穿过制品后产生相位移。如果射入光学元件的光为偏振光，或穿过一个光学元件的光还需要穿过另外一个光学元件，偏振光会在传播的过程中出现光波的叠加和抵消，使光线在亮度上相互消长，产生明暗相间的干涉条纹，严重影响光学元件的成像效果。相位移超过的光会出现明显的偏振现象。重要光学元件的光相位移可根据实际要求控制在以内或更小。图来自正负向的光的相位移图为来自正负向的光的迟滞。制品内部应力的分布会使穿过的光 线发生偏振，平行与光的传播方向的偏振光波与垂直于光的传播方向的偏振光波的传播速度有差异，产生相位移，经过在制品内传播路径上的积累后，射出制品后会产生分离现象。分离的程度与光的偏振幅度、传播路径的距离有关。系统以绿光的光波波长为标准，计算出来自向的光穿过制品后分离的程度。相位移超过绿光波长将使光波的偏振幅度相对于传播方向失去对称特性。重要光学元件的光的 迟滞量可根据实际要求控制在绿光光波波长以内或更小。图来自正负向的光的迟滞本章小结 本章主要讲述了应用软件进行光学双折射进分析。只有网格支持双折射分析。目前已经验证运用可以对六种透明塑胶材料进行光学双折射分析，这六种透明塑料的光学属性数据收录于材料数据库中。对光学双折射的原理及光学元经常件出现的光学缺陷做了详尽的解释，以期能对读者尽心双折射模拟分析起到指导作用。思考与练习 光学双折射的原 理是什么？光学元件经常出现的光学缺陷有哪些？在成型过程中 如何才能有效地避免？用于双折射分析的网格划分时应注意哪些问题？